一種基于微觀可視技術的超臨界二氧化碳溶解性能測定裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于微觀可視技術的超臨界二氧化碳溶解性能測定裝置及方法， 屬于超臨界流體的技術領域。
【背景技術】
[0002] 近幾年來，隨著人們環(huán)境保護意識的加強，超臨界流體獨特的理化性質(zhì)在綠色化 學領域上引起了科研工作者的極大興趣。超臨界二氧化碳是指溫度和壓力均高于其臨界值 (T c= 31. 1°C，P。= 7. 39MPa)的二氧化碳流體。相對于其他超臨界流體，超臨界二氧化碳 條件易于達到，利于滿足環(huán)境、設備制造、經(jīng)濟的要求，而備受關注。
[0003] 超臨界二氧化碳流體是一種高密度氣體。從物理性質(zhì)上，它兼有氣體和液體雙重 特性，即密度高于通常氣體，接近液體，因而有常規(guī)液態(tài)溶劑的強度；粘度與氣體相似，比液 體大為減??；擴散系數(shù)接近于氣體，大約為液體的10~100倍，因而具有較好的流動性。而 且，由于內(nèi)在的可壓縮性，流體的密度、溶劑強度和粘度等性能均可由壓力和溫度的變化來 調(diào)節(jié)。
[0004] 超臨界二氧化碳能夠應用于廣大工業(yè)領域，主要是它有與眾不同的溶解性能。在 超臨界條件下，流體具備液態(tài)溶劑的性能稱為溶劑化效應。超臨界二氧化碳的密度接近于 液體，因而具有很好的溶劑化效應，又有與氣體相近的高滲透能力和低粘度，表面張力接近 于零。因此它具有良好的傳遞性能，可以較迅速地深入溶質(zhì)的微小結構中，溶解其中的非 極性物質(zhì)。在實際應用中可通過改變超臨界二氧化碳的壓力或溫度，使其密度隨之大幅度 改變，由于溶解度與密度密切相關，進而可以方便地調(diào)節(jié)超臨界二氧化碳的溶解度。另外， 雖然超臨界二氧化碳的溶解對象一般限于非極性或弱極性物質(zhì)，對于極性大的物質(zhì)不易溶 解。但可以通過摻加極性溶劑來改變超臨界二氧化碳的極性，使其對不同溶質(zhì)具有不同的 溶解性能，進而擴大其溶劑化性能應用的范圍。
[0005] 基于溶劑化效應的超臨界二氧化碳應用技術主要涉及超臨界二氧化碳萃取、以超 臨界二氧化碳為介質(zhì)的化學反應等。隨著超臨界二氧化碳中溶解性基礎理論的深入研宄， 以及中國經(jīng)濟發(fā)展所面臨的溫室氣體減排和能源需求兩個重大問題，促進了一大批基于超 臨界二氧化碳溶劑化效應理論的二氧化碳地質(zhì)埋存與提高石油采收率技術的不斷發(fā)展，包 括：（1)超臨界二氧化碳欠平衡鉆井領域，該領域主要是基于超臨界二氧化碳溶劑化效應 向超臨界二氧化碳中添加化學藥劑，實現(xiàn)對超臨界二氧化碳密度、粘度的可調(diào)節(jié)性，從而實 現(xiàn)其欠平衡鉆井能力、攜帶巖肩能力的可控制性；（2)超臨界二氧化碳驅(qū)油流度控制領域， 在該領域基于溶劑化效應主要有兩個方向：a.基于溶劑化效應使得超臨界二氧化碳中增 溶聚合物等化學藥劑，使得超臨界二氧化碳的粘度增加，從而調(diào)節(jié)超臨界二氧化碳驅(qū)油過 程中的氣油流度比，擴大超臨界二氧化碳的波及系數(shù)，從而提高原油采收率；b.基于溶劑 化效應使得超臨界二氧化碳中增溶氣溶性表面活性劑，使得超臨界二氧化碳在注入地層的 過程中能夠攜帶表面活性劑，在地層中遇到水時能夠形成泡沫，利用泡沫的調(diào)剖能力，實現(xiàn) 對超臨界二氧化碳流度的控制；（3)超臨界二氧化碳壓裂領域，在該領域基于溶劑化效應 主要有兩個方向：a.基于溶劑化效應使得超臨界二氧化碳中增溶聚合物等化學藥劑，使得 超臨界>氧化碳的粘度增加，提尚其攜砂性能，從而提尚超臨界>氧化碳壓裂效率；b.基 于溶劑化效應的超臨界二氧化碳干法壓裂，該種方法通過超臨界二氧化碳中增溶特定的表 面活性劑，形成〇) 2/隊泡沫壓裂液體系，實現(xiàn)了無水壓裂；(4)超臨界二氧化碳混相驅(qū)油領 域，該領域主要是基于溶劑化效應向超臨界二氧化碳中添加化學藥劑，降低超臨界二氧化 碳與地層原油的混相壓力，從而使得超臨界二氧化碳在地層中易于與原油混相，實現(xiàn)混相 驅(qū)油，從而提高原油采收率。
[0006] 綜合以上所述可以看出，基于超臨界二氧化碳溶劑化效應理論的二氧化碳地質(zhì)埋 存與提高石油采收率技術能否成功應用，其關鍵在于是否能夠準確地測定相關化學藥劑在 超臨界二氧化碳中的溶解度。
[0007] 目前常用的測試方法有靜態(tài)法和動態(tài)法：
[0008] (1)靜態(tài)法，是指化學藥劑和超臨界二氧化碳放置在密閉容器中，靜置一定時間， 直至系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)，分析其平衡相組成進而得到該化學藥劑在超臨界二氧化碳中溶解 度的方法。
[0009] 平衡相組成的獲得方法有兩種，取樣法和濁點法：
[0010] a.取樣法是指待系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)后對系統(tǒng)內(nèi)超臨界二氧化碳相取樣，通過化學 滴定、色譜分析或是紫外吸收等方法分析所取樣品中化學藥劑成分，計算出該溫度和壓力 下其在超臨界二氧化碳中的溶解度。該類方法應用雖然廣泛，但測試過程中平衡時間較長， 取樣過程中容易產(chǎn)生壓力波動，破壞原有平衡狀態(tài)，誤差較大，并且對樣品組分含量的測試 一般需要依靠高精度分析儀器，造價昂貴，成本較高。
[0011] b.濁點法是指該系統(tǒng)所加入的超臨界二氧化碳和化學藥劑的量是已知的，并且所 采用的密閉容器為可視容器，然后在保證溫度不變的前提下，改變該密閉容器的體積，通過 肉眼觀察法以體系變渾濁為臨界點，讀取該臨界點處壓力，通過查取該溫度、壓力條件下的 超臨界二氧化碳密度，進而計算出該溫度、壓力條件下化學藥劑在超臨界二氧化碳中的溶 解度。中國專利CN2715835即為該種方法，但是該類裝置較大程度上依靠肉眼來鑒別是否 出現(xiàn)濁點，誤差較大，并且平衡時間較長，限制了它的應用。董重，潘志彥提出了一種利用石 英毛細管法測定乙醇在超臨界二氧化碳中溶解度的方法，該方法將常規(guī)的可視密閉容器換 成了石英毛細管，結合顯微鏡錄像的方法，測定化學藥劑在超臨界二氧化碳中的溶解度，但 是該方法在升高溫度的同時毛細管內(nèi)體系的壓力也同時升高，并且該壓力無法測定，因此 所得到的溶解度結果無法說明該結果所處的壓力值，使得結果準確度不高[浙江工業(yè)大學 學報，2012, 40 (4) :418-421]。
[0012] (2)動態(tài)法是指化學藥劑是在超臨界二氧化碳流動過程中二者建立相平衡，然后 取樣分析其平衡相組成得到該化學藥劑在超臨界二氧化碳中溶解度的方法。
[0013] 動態(tài)法也可分為兩類，單通路法和循環(huán)法：
[0014] a.單通路法類似于萃取過程，即將超臨界二氧化碳緩緩通過放置在恒溫平衡釜中 的化學藥劑，在二者接觸過程中建立相平衡，然后對超臨界二氧化碳相和化學藥劑相分別 進行取樣分析，計算溶解度。中國專利CN103512826即是該種方法，該種方法的缺點在于難 以準確判斷二者是否真正達到平衡狀態(tài)，超臨界二氧化碳的用量較大。
[0015] b.循環(huán)法是指在平衡釜外連接一個循環(huán)泵，將超臨界二氧化碳和化學藥劑加入平 衡釜中，通過循環(huán)泵在平衡釜、循環(huán)泵及二者的連接管路間建立閉合循環(huán)通路，通過循環(huán)過 程中二者的不斷接觸達到相平衡，然后取樣分析計算得到溶解度。中國專利CN1975381即 為該種方法，該種方法的缺點在于整個循環(huán)管路的溫度難以保持一致，在循環(huán)管路中因為 溫度的變化導致相平衡不斷被打破，可能會使化學藥劑從超臨界二氧化碳中冷凝析出，造 成測定誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種基于微觀可視技術的超臨界二氧化碳溶解 性能測定裝置。
[0017] 本發(fā)明還提供一種上述裝置的應用方法。
[0018] 本發(fā)明利用耐壓夾持器與微觀刻蝕玻璃模型實現(xiàn)超臨界二氧化碳溶解化學物質(zhì) 過程的全程可視，利用超聲波分散作用縮短溶解達到平衡所需時間，利用顯微鏡圖像采集 及分析系統(tǒng)實現(xiàn)超臨界二氧化碳溶解化學物質(zhì)過程的實時采集、并對采集結果進行圖像二 值化處理，自動分析得到該化學物質(zhì)在超臨界二氧化碳中的溶解度參數(shù)。
[0019] 本發(fā)明的技術方案在于：
[0020] 一種基于微觀可視技術的超臨界二氧化碳溶解性能測定裝置，包括耐壓夾持器、 溫度控制系統(tǒng)、微觀刻蝕玻璃模型、超聲波分散儀和顯微鏡圖像采集分析系統(tǒng)；
[0021] 所述耐壓夾持器用于夾持微觀刻蝕玻璃模型、在所述微觀刻蝕玻璃模型外通過液 體調(diào)壓模擬地層壓力；
[0022] 所述溫度控制系統(tǒng)用于調(diào)整裝置的工作溫度；
[0023] 所述微觀刻蝕玻璃模型包括用于導流、承壓的透明腔體、出口和入口，所述出口和 入口均朝下設置；
[0024] 所述超聲波分散儀對進入透明腔體的待測樣品溶解二氧化碳；
[0025] 所述顯微鏡圖像采集分析系統(tǒng)包括顯微鏡攝像頭和圖像采集及分析系統(tǒng)；所述顯 微鏡攝像頭通過所述透明腔體采集待測樣品在超臨界二氧化碳中的溶解度參數(shù)。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述耐壓夾持器包括頂蓋、底蓋及中間槽；
[0027] 其中：中間槽用于放置微觀刻蝕玻璃模型及與其連接的超聲波分散儀；中間槽頂 部用不銹鋼環(huán)以埋頭螺釘緊固的方式將微觀刻蝕玻璃模型緊固在中間槽中；
[0028] 所述頂蓋和底蓋分別固定安裝有藍寶石玻璃。利用所述藍寶石玻璃高透光性及耐 壓性實現(xiàn)高壓條件下對整個溶解過程的可視觀測，并且頂蓋及底蓋均采用六角螺母實現(xiàn)與 中間槽的連接；為保證連接處的密封性，連接處均裝有耐腐蝕密封圈實現(xiàn)系統(tǒng)密封性。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述微觀刻蝕玻璃模型外通過液體調(diào)壓模擬地層壓力的具 體結構為：在所述中間槽中、且在所述透明腔體的上部空間和下部空間分別形成環(huán)壓流體 腔。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述溫度控制系統(tǒng)包括保溫套和制冷制熱一體機；所述制冷 制熱一體機采用油浴溫控，本發(fā)明之所以采用制冷制熱一體機主要是因為在溶解過程中需 要啟動超聲波分散儀來加速整個體系達到溶解平衡，超聲波分散儀工作過程中放出熱量， 會導致系統(tǒng)的溫度的升高，因此本發(fā)明選用制冷制熱一體機來保證系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性，提 高實驗精確度；所述保溫套整體為可拆卸拼接式結構，在拼接處安裝有卡扣，在所述保溫套 上預留孔眼用于連接內(nèi)部管路。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述保溫套包括保溫外殼和在所述保溫外殼內(nèi)設的盤管，所 述盤管的進口設置在保溫套的下部，所述盤管的出口設置在保溫套的上部。此處設計在于， 用于溫控用油在所述盤管內(nèi)流動，實現(xiàn)溫度控制，外部包裹有保溫材料，并且保溫套溫控用 油的進口均設置在保溫套下部，出口設置在上部，提升溫度傳遞效率，提高溫控精確度。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述微觀刻蝕玻璃模型的透明腔體的制